깨지기 쉬운 유기반도체 필름을 고무 물질 사이에 삽입해 샌드위치 형태인 스택(stack)* 구조를 형성함으로써 세계 최초로 잡아당겨도 찢어지지 않는 n-type 유기반도체 기반 트랜지스터를 제작할 수 있는 기술이 개발됐다.

전자공학과 심현석(사진) 교수팀은 유기반도체 공정 기술을 이용해 기계적 응력(應力)이 가해지는 경우 그 물질에 가해지는 스트레스를 획기적으로 줄여 세계 최초로 연성 n-type 반도체 및 트랜지스터 개발에 성공했다.

- 논문 제목: Elastic integrated electronics based on a stretchable n-type elastomer?semiconductor?elastomer stack (연성 n형 고무-반도체-고무 스택 기반의 전자 장치)

- 논문 링크: https://www.nature.com/articles/s41928-023-00966-4

‘연성 전자소자 및 시스템’은 휴먼 머신 인터페이스, 스마트 헬스케어 디바이스, 이식가능한 바이오메디컬 디바이스 등과 같은 미래지향적인 어플리케이션을 만드는 데 사용될 수 있다. 

연성 반도체 물질은 이러한 기술을 실현하기 위한 핵심기술인데, 일반적으로 주로 연성을 가진 p-type 반도체 물질에 대한 연구가 활발히 진행돼 왔다. 하지만 전자회로에서는 한 가지 type만으로 모든 회로를 구성할 수 없기 때문에 p-type과 n-type이 모두 상보적으로 필요하다. 즉, 상보형 회로 및 복잡한 회로, 광전자 디바이스 등을 구현하기 위해서는 연성 p-type뿐 아니라 연성 n-type 반도체도 필요한 것이다.

※ p-type과 n-type의 p는 positive, n은 negative를 각각 뜻한다. 반도체에서의 p-type은 양의 전하(positive)를 가지는 정공(hole)이 다수 캐리어인 경우이고 n-type은 음의(negative) 전하를 가지는 자유전자(electron)가 다수 캐리어인 경우이다. 즉, 전류의 흐름에 기여하는 전하 운송자의 종류에 따라 p-type과 n-type 반도체로 구분된다. 이때, p-type과 n-type 기반의 트랜지스터를 구현하기 위해서는 각각 음의 전압 및 양의 전압을 입력해줘야 한다. 이렇게 서로 다른 구동 전압을 가지는 p-type 및 n-type 트랜지스터를 이용하면 상보형 로직을 만들 수 있는데 지금까지 개발된 소자 중에서 소비전력이 가장 낮다는 장점이 있다.

유기 연성 반도체는 물질 자체가 늘어나는 방식(Intrinsically stretchable)을 통해 구현될 수 있다. 그동안 연성 n-type 반도체의 개발은 낮은 안정성 및 낮은 전자 이동도와 같은 고유한 물질 특성으로 인해 제한돼 왔다. 이에 부산대 심현석 교수팀은 유기반도체 공정 기술을 이용해, 가볍고 부드러우며 쉽고 안정적인 방법으로 깨지기 쉬운 n-type 반도체에 연성을 부여할 수 있는 기술(연성 n-type 반도체 및 장치) 개발에 나서 최근 성공했다.  

<늘어나는 n형 고무-반도체-고무 스택 기반의 전자 장치> 

a. 개발된 반도체 공정 기술을 이용한 늘어나는 n-type 유기반도체 구현. 

유기반도체 필름은 기계적 응력이 가해졌을 때 깨지지만, n형 고무-반도체-고무 스택은 크랙 (Crack) 없이 늘어남. 

b. n형 고무-반도체-고무 스택이 적용된 늘어나는 이미저 소자의 사진. 

c. 볼록한 (Convex) 그리고 오목한 (Concave) 구조로 변형이 일어날 때의 이미저 소자 사진. 

d. (c)의 변형에서 입사한 빛 패턴에 따른 전압 매핑 결과.

제1저자로 연구를 주도한 심현석 교수는 깨지기 쉬운 반도체 물질을 두 고무 물질 층 사이, 샌드위치 형태(stack 구조)로 삽입해 높은 안정성 및 전자 이동도를 가질 뿐만 아니라 기계적 응력에도 그 특성을 유지하는 n-type 반도체 물질을 개발했다. 

이 구조는 미세 균열의 형성과 그 균열의 전파를 억제하며, 성능 소실이 거의 없이 최대 50%까지 늘어났다. 주변 환경에서 반도체의 장기 안정성도 향상됐다. 연구팀은 고무-반도체-고무 스택과 기타 신축성 전자 소자를 적용한 트랜지스터, 논리 게이트, 상보형 회로, 광검출기, 늘어나는 이미저(imager)를 구현했다.

심현석 교수는 “이번 결과는 기존의 p-type 기반으로 국한돼 왔던 연성 유기반도체의 연구가 n-type으로 확장되는 중요한 의미를 가진다”며 “본 소재 및 공정 기술은 복잡한 공정 및 물질 합성 없이 구현 가능한 이점이 있으며, 향후 p-type 및 n-type 반도체가 동시에 필요한 연성 전자소자 및 회로 분야에 크게 기여할 것”이라고 말했다. 

한편, 이번 연구는 부산대와 미국·중국, 한국 울산과학기술원 등 국제공동연구로 수행됐다. 해당 논문은 전자 분야 세계 최고의 국제학술지인 『네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)』 5월 15일자에 게재됐다.

연구진은 앞으로 기존의 깨지기 쉬운 반도체 물질들에 반도체 스택(stack) 구조를 적용해 신축성이 부여된 반도체 연구를 수행·확장할 예정이다. 이러한 시도는 바이오전자, 웨어러블 전자소자, 소프트로봇 등의 개발에 활용될 수 있을 전망이다. 

[Abstract]

Elastic integrated electronics are of potential use in a range of emerging applications, particularly those that require devices that can form an interface with soft biological tissue. The development of such devices has typically focused on the creation of stretchy p-type semiconductors, and the lack of suitable stretchy n-type semiconductors limits the potential of stretchable integrated systems. Here we show that a brittle n-type organic semiconductor can be made mechanically stretchable by integrating into a stack with an elastomer?semiconductor?elastomer architecture. The structure suppresses the formation and propagation of microcracks and can be stretched by up to 50% with negligible loss of performance. It also improves the long-term stability of the semiconductor in an ambient environment. We use the n-type elastomer?semiconductor?elastomer stack, together with other stretchy electronic materials, to build elastic transistors, digital logic gates, complementary electronics, p?n photodetectors and an active matrix multiplexed deformable imager.

Reference

- Author: Prof. Hyunseok Shim (Department of Electronics Engineering)

- Title of original paper: Elastic integrated electronics based on a stretchable n-type elastomer?semiconductor?elastomer stack

- https://www.nature.com/articles/s41928-023-00966-4

- Journal: Nature Electronics

- DOI: s41928-023-00966-4

[출처: PNU 리서치]